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Verfahren und Vorrichtung zum Beeinflussen der Soldruckverteilung
an Bauwerken Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beeinflussen der Soldruckverteilung
an Bauerken und macht gleichermaßen eine Vorrichtung ar Durchführung des Verfahrens
verfügbar.
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Ein Bauwerk. das auf einem nachgiebigen Untergrund steht, drückt nicht
nur den Baugrund zusammen, sondern es ist auch selbst Verformungen unterworfen.
Die Wechselwirkung zwischen dem Spannungszustand im Boden und dem Spannungszustand
in dem Bauwerk führt zu einer solchen Sohldruckverteilung, daß die Verformungen
der Bodenoberfläche mit derjenigen der Fundamentsohle übereinstimmen.
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Weil die Sohldruckverteilung von großem Einfluß auf die Beanspruchung
der Fundamente und des Bauwerkes selbst und damit auf die Kosten eines Bauwerkes
ist, wurden zu ihrer wirklichkeitsnahen Passung viele Berechnungsverfahren entwickelt.
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Ebenso sind seit langem Methoden bekannt, um unerwünschte Sohldruckkonzentrationen
durch den Einbau von PolstersXchichten zu vermeiden. Diese Verfahren werden selten
benutzt, weil der Einbau in der erfordedichen Präzision baupraktische Schwierigkeiten
bereitet und das zeitliche Verformungsverhalten der Polsterschichten nur wenig beeinflußt
werden knn.
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Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren verfügbar
zu machen, das in wirtschaftlicher Weise ein Beeinflussen der Soldruckverteilung
an Bauwerken über längere Zeiträume hinweg ermöglicht.
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Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß an bestimmten Stellen
der Bauwerke, vorzugsweise unterhalb der Stützen, ein plastisches Medium eingebracht
wird und daß das Medium von außen fort dauernd unter einem in bestimmter Weise gesteuerten
Druck gehalten wird.
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In Fortbildung der Erfindung schlägt diese vor, daß nach Abschluß
der Setzbewegungen das verformbare Medium durch ein erhärtende s Material, vorzugsweise
ein Wasser- Zement- Sand-Ton-Gemisch, ersetzt wird.
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Eine Weiterbildung des Verfahrens besteht darin, daß das plastische
Medium in unter den Bauwerken angeordneten Druckkissen, z.B. aus Kunststoff, hineingedrückt
wird. Mit Vorteil kann zum Ausgleich unterschiedliche Setzbewegungen aufweisender
Gebäudeteile wenigstens teilweise aus dem Bereich vergleichsweise leichterer Gebäudeteile
das plastische Medium entfernt werden, um eine künstliche Absetzbewegung zur Anpassung
hervorzurufen.
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Um Spannungen an den Druckkissen zu vermeiden, wird gemäß einer vorteilhaften
Fortbildung zwischen Druckkissen in Baugrund ein erhärtendes Injektionsmaterial
eingespritzt.
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Die Erfindung macht gleichermaßen auch eine Vorrichtung zur Durchfuhrung
des Verfahrens verfügbar, rundem unter den Bauwerken, vorzugsweise unter den Stützen,
deformierbare Druckkissen angeordnet sind, die über Leitungen mit einem Freispiegelhochbehälter
oder einer Pumpenanlage verbunden sind.
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Zweckmäßig ist den Druckkissen eine Drucksteueranlage zugeordnet,
die zum Ausgleich von Absenkungen des Baugrunds oder von Verkehrslasten dient.
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Um nach Erfolg der Setzbewegung des Baugrundes ein aushärtbares Material
in die Druckkissen einbringen zu können, sind an diesen Injektionsrohre vorgesehen.
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In zweckmäßiger Weise sind bei versdieden großen Gebäudeteilen den
Druckkissen hydraulische Pressen zugeordnet, die sich zwischen den einzelnen Bauwerksteilen
befinden und seitliche Kräfte sowie lotrechte Differenzkräfte aufnehmen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird als Druckmittel eine
viskose Flüssigkeit verwendet und/oder Drosselventile zur Verringerung der Durchflußgeschwindigkeit
zwischen Druckkissen und Pumpe sind vorgesehen.
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Die Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden In den Zeichnungen zeigen:
Fig.
1 in schematischer Darstellung einen Schnitt durch das Bauwerk; Fig. 2 einer der
Fig. 1 entsprechende Sohldruckkurve; Fig. 3 ein den Fig. 1 und 2 entsprechenden
Verlauf der Biegemomente; Fig. 4 ein Hochhaus mit zugeordnetem Flachbau; Fig. 5
ein Hochhaus mit zugeordnetem Flachbau mit einer abgewandelten Vorrichtung.
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In der Fig. 1 ist ein schnitt durch en Streifenfundament mit den darauf
ruhenden Bauwerkstützen dargestellt. Unter dem Streifenfundament sind dort, wo die
beiden Mittelstützen ihre Last abgeben,Druckkissen eingebaut, die mit einem über
eine Zuführleitung 2 zugeführte Druckmittel - vorzugsweise lasser -unter zweckmäßig
gewähltem konstantem Druck gehalten werden.
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Dieser Druck ist dank der Elastizität bzw. Verformbarkeit der Druckkissen
eingebaut unabhängig von den Setzungen des Baugrundes.
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Bei einer mittleren Steifigkeit des Gründungsbalkens und des Hochbaues
und einer mitteren Zusammendrückbarkeit des Baugrundes würde die in der Fig. 2 bei
3 ausgezogen dargestellte Sohldruckverteilung entstehen. Diese hat den in der Fig.
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ausgezogen dargestellten Verlauf 4 des Biegemomentes zur Folge.
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Dadurch, daß die elastischen Drucklissen 1 unabhangig von der Nachgiebigkeit
des Baugrundes mit einer konstanten Pressung drücken, ändert sich der Sohldruck
so, wie es in Fig.? mit der Linie 5 gestrichelt dargestellt ist. Der Verlauf der
für die Beanspruchung des Gründungsbalkens und des Hochbaues maßgebenden
Biegemomente
gestaltet sich damit bedeutend günstiger, wie es in der Fig. 3 mit der gestrichelt
dargestellten Linie 6 gezeigt ist.
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Die Größe des Innendruckes in den Druckkissen 1 wird aufgrund von
Berechnungen so gewählt, daß negative und positive Maximalwerte des Biegemomentes
etwa gleich groß werden.
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Die Druckkissen, die vorzugsweise aus alterungsbeständigen, korrosionsfesten
und ausreichend zugfesten Kunststoffen bestehen, können z.B. unter den Unterbeton
eingebaut werden und erhalten mindestens eine wasserdichte Zuführleitung 2, die
es erlaubt, die Druck flüssigkeit zuzuführen.
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Vorzugsweise werden zwei Injektionsrohre 3 vorgesehen, die an möglichst
entfernt liegenden Stellen in das Druckkissen 1 einmünden. Dadurch wird es möglich,
nach dem Abklingen der Setzungen die Druckflüssigkeit durch ein anfangs pumpfähiges
und später erhärtendes Material - vorzugsweise ein Wasser-Zement-Sand-Ton-Gemisch
- zu ersetzen.
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In der Fig. 4 ist eine bedeutungsvolle Anwendung des vorgeschlagenen
Verfahrens anhand des Schnittes durch ein 28-geschossiges Hochhaus 7 mit flachen
Anbauten 8, 9 dargestellt.
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itier wurde unter die gesamte Fläche der Gründungsplatte des «-.ochhauses
7 ein Druckkissen 1 eingebaut. Erfahrungsgemäß bringt jedes Geschoß ständig wirkende
Lasten, die mit geringen Schwankungen bei etwa 1,0 Mp/m² liegen. Um das Gewicht
des
gesamten Hochhauses 7 aufzunehmen, müßte der Druck in der Druckflüssigkeit
zwischen 2,5 und 2,8 atü liegen. Bei Verwendung von wasser als Druckflüssigkeit
müßte demnach ein Freispiegelbehälter 10 mit Anschluß an das Druckkissen 1 etwa
im achten Obergeschoß angeordnet werden.
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Alle waagerechten Kräfte - insbesondere also die Winkräfte -müssen
so , wie es in 6 Fig. 4 dargestellt ist, an die Flachbauten 8, 9 abgegeben werden.
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Zur Aufnahme der lotrechten Differenzkräfte (z.B. Verkehrslasten)
und zur Stabilisierung sind in der in Fig. 4 angedeuteten Weise zwischen Anbauten
und Austragungen am Hachhaus nicht näher dargestellte hiydraulische Pressen 11 lotrecht
eingebaut. Da die Hauptlast des Hochhauses 7 vom Druckkissen 1 aufgenommen wird,
sind die zu übertragenden Lasten gering und damit die Abmessungen und Kosten der
hydraulischen Pressen niedrig.
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Die der Aufnahme der Differenzkräfte und der Stabilisierung dienenden
lotrechten hydraulischen Pressen 11 können automatisch-von ileßgeräten gesteuert
werden, die die Neigung des Hochhauses 7 und die underung seiner Höhenlage gegenüber
den Flachbauten 8, 9 kontrollieren.
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Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens liegt darin, diese lotrechten
hydraulischen Pressen 11 mit dem Druck des Druckmittels im Druckkissen 1 so zu schalten,
daß auch Änderungen
der Verkehrslasten vom Druckkissen übertragen
werden. Das kann z.B. dadurch geschehen, daß auf einen Freispiegelbehälter verzichtet
und statt dessen das Druckmittel durch eine Pumpe zugeführt wird.
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Um bei schlechtem Baugrund eine zu große Dehnung des IçIaterials,
aus dem das Druckkissen 1 besteht, zu vermeiden, besteht eine weitere Ausgestaltung
darin, daß vor dem Verlegen des Druckkissens 1 an zweckmäßig gewählte Stellen in
Längsrichtung flexible, in Querrichtung druck- und zugfeste Injektionsrohre 12 mit
üblichen Ventilöffnungen verlegt werden. Diese Rohre 12 können je nach Eigenart
der jeweiligen Aufgabe mit der Unterfläche des Druckkissens verbunden sein oder
ohne Verbindung in geringem oder größerem Abstande liegen. Bevor bei stärker setzungsempfindlichem
Baugrund die zum Ausgleich der Setzung erforderliche Wassermenge zu einer unzulässigen
Dehnung des Druckkissenmaterials führt, wira durch die zuvor beschriebenen Injektionsrohre
12 ein anfangs pumpfähiges und später erhärtendes Material verpreßt, das bei einem
Injektionsdrudg der wenig über dem Druck im Druckkissen liegt, das Druckkissen 1
zusammendrückt.
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Das Injektionsmaterial füllt dabei den größten Teil des vorher vom
Druckkissen 1 eingenommenen Volumens zwischen Gründungsplatte und Baugrundoberfläche
unterhalb des Druckkissens aus, wo es erhärtet. Dank der üblichen Ventile körben
die Injektionsrohre 12 sofort nach Beendigung der Verpressung durchgespült werden.
Sie stehen damit für eine Wiederholung dieses Injektionsvorganges zur Verfügung.
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Auch in diesem Falle ist es möglich und je nach Umständen vorgesehen,
nach dem Abklingen der Setzungen das Druc-lmittel im Druckkissen 1 gegen ein anfangs
pumpfähiges und später erhärtendes IIaterial auszutauschen.
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Ein weiteres Beipiel zeigt eine Anwendung, bei der elastische Druckkissen
1 zum Ausgleich von Setzungsunterschieden nicht unter den am höchsten, sondern unter
den wenig belasteten Bauteilen angeordnet werden. Die Fig. 5 zeigt in schematischer
Darstellung ein Hochhaus 13 mit angrenzendem Flachbau.14.
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Wenn die Schwerpunktverteilung der Lasten des Hochhauses 13 gtinstig
zur Fundamentfläche liegt und der Baugrund horizontal und gleichmäßig geschichtet
ist, sind Verkantungen des Hochhauses 13 nicht zu befürchten. Da sich der Baugrund
unter den anschließenden Flachbauten 14 sehr viel weniger setzen wird, müßte entweder
eine gleichgroße Setzung durch unwirtschaftliche Umlagerung des Sohldruckes unter
die Flachbauten 14 erzwungen werden oder es wäre durch eine Fuge zwischen Flachbau
14 und dem Hochbauteil 13 die Möglichkeit zu schaffen, daß unterschiedliche Setzungen
keine schaden anrichten. Die Konstruktionen zur Überbrückung einer solchen Fuge
sind aufwendig und bringen u.U. auf die Dauer Behinderungen. Eine drit-tc sich cwnbietende
Möglichkeit, nämlich die Flachbauten erst dann zu erstellen, wenn die Setzungen
des Baugrundes aus der Belastung durch das Iiochhaus 13 abgeklungen sind, ist in
der Praxis selten durchführbar.
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Der Einbau von Druckkissen 1 unter dem Flachbau ermöglicht in einem
solchen Falle auf einfache und wirtschaftliche Weise den fugenlosen Anschluß der
Flachbauten 14 an den Hochbauteil 13.
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In eie Druckkissen 1 wird unmittelbar nach ihrem Verlegen vor dem
betonieren des Fundamentes unter entsprechendem Druck so viel Druckflüssigkeit eingefüllt,
daß der Abstand ihrer Ober-und Unterflächen mit Sicherheit größer wird als der zu
erwartende Setzungsunterschied zwischen Hochbauteil 13 und Flachbau 14.
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Wenn die Fläche des Druckkissens 1 und damit auch die Fläche des auf
ihm ruhenden Fundamentes der jeweiligen Fundamentlast angepaßt wird, können alle
Druckkissen 1 miteinander verbunden werden, weil in ihnen der gleiche Druck herrschen
muß.
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Sobald der Bauvorgang ein Stadium erreicht hat, bei dem sich @ die
Fundamente des Hochhauses 13 durch ihre stärkere Belastung mehr setzen als der Flachbau
14, ist das bis dahin geschlossene und damit unnachgiebige System der Druckkissen
1 so zu öffenen, daß ein vorher--anhand der Stützenlasten und der Fundament-bzw.
Druckkissenabmessungen errechneter Innendruck konstant gehalten wird. Die Tendenz
des Hochhauses 13, sich stärker zu setzen, weckt in der starren Verbindung zum Flachbau
14 Kräfte, die zu einer stärkeren Belastung der Fundamente und damit der Druckkissen
1 führen. Dic Druckflüssigkeit der Druckkissen 1 entzieht sich jeder Zusatzbelastung,
und das nachgebende Druckkissen 1 lässt das Fundament so weit tiefer sinken, bis
die
Spannung am Übergang zum Hochhausteil 13 wieder abgebaut ist und die Fundamente
lediglich wieder die auf sie entfallende Last in den Baugrund eintragen.
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Bei großen Grundrißcabnaessungen und geringer Höhe des Flachbaues
13 werden dabei die cnpruchungen der Verbindungskonstruktion zwischen Flachbau 14
und tiochhausteil 13 unwirtschaftlich groß. Dann wird man sich die Tatsache zunutze
machen, daß die Setzung des I-iochhauses 13 in jedem Falle langsam vor sich geht.
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Baustoff und Bauart des Flachbaues und seiner Verbindung mit dem Hochhausteil
13 erlauben eine geringe, berechenbare elastische Verformung nach oben und unten.
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In einer weiteren Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens wird
dann das geschlossene und damit unnachgiebige System der Druckkissen 1 erst dann
geöffnet, wenn ein i.a. wochXntliches, in Ausnahmefällen tägliches Nivellement zeigt,
daß die unterschiedlichen Setzungen in die Nähe der zulässigen Beanspruchung geführt
haben. Es wird dabei ein solch großes Volumen der Druckflüssigkeit abgelassen, daß
als Folge der damit verbundenen langsamen Absenkung des Flachbaues die entgegengesetzt
liegende Grenze -der zulässigen Beanspruchung erreicht wird.
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Die langsame weitere Setzungs des Hochhausteiles mindert die Beanspruchung
wieder ab und führt zu einer je nach Baugrundbeschaffenheit, Lastunterschieden und
Steifigkeit der Konstrultion mehr oder weniger häufigen tliederholung dieses Vorganges
Die Steifigkeit üblicher Ifochbauten wird dabei i.a. für einen Ausgleich der Verkehrslasten
ausreichen.
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In Sonderfällen mit sehr großen Verkehrslastanteilen oder sehr weichen
I(onstruktionen werden in einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens als Druckflüssigkeit
statt z.B. IJasser viskose Flüssigkeiten benutzt und/oder Drosselventile zur Verringerung
der Durchflußgeschwindigkeit zwischen die Druckkissen 1 und den Freispiegelbehälter
10 bzw. die nichtdargestellten Pumpen eingebaut.
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Durch eine geeignete Ausbildung des Kellerbodens, der an der Stütze
entlanggleiter, und des Anschlusses wird diese Verformung für den Bestand und die
Nutzung des untersten Kellers im Flachbau völlig ungefährlich.
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Es ist aber auch im Sinne des vorgeschlagenen Verfahrens möglich,
zusätzlich unter dem Kellerboden Druckkissen zu verlegen, die mit einem Druckmittel
so geringen Druckes gefüllt sind, daß z.B. das Eigengewicht des Kellerbodens zuzüglich
der halben Verkehrslast von den Druckkissen übertragen wird.
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Differenzkräfte wären dann über den starren Anschluß, der jetzt möglich
ist, an die Fundamente zu übertragen.
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Auch in diesem Falle ist es möglich und J';je nach Umständen vorgesehen,
nach dem Abklingen der Setzungen des Druckmittel im Druckkissen gegen ein anfangs
pumpfähiges und später erhärtendes Material auszutauschen.
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Jjas zuvor beschriebene Verfahren sowie die Vorrichtungen zur Durchführung
eignen sich grundsätzlich bei Bauten aller Art
wo bestimmte Sohldruckverteilungen
eine Beeinflussung erfahren sollen.